周易
摘要：“科學思維”是物理學核心素養(yǎng)的重要組成部分，是高中物理教學中重要的思維方法，主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑與創(chuàng)新等。文章基于此視角，對計量器具修改中存在的問題進行分析，并對實驗教學進行反思。
關(guān)鍵詞：科學思維；電表改造；實驗教學
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148 (2019)6-0031-3
實驗室常用的電壓表、電流表都是由滿量程較小的電流表頭改裝而成的。由于實驗要求不同，對其量程的要求也不同，所以改裝的目的主要就是“擴大量程”。下面分別對電壓表、電流表的改裝進行分析。
1 電壓表的改造
1.1 修改特點
電流表的滿偏電流Ig和內(nèi)阻Rg已知，由于滿偏電流Ig太小，不能直接用來測量，只用來檢測電路中是否有電流，并判斷其方向。根據(jù)歐姆定律，電表滿偏時的電壓為Ug=IgRg，同樣，Ug太小高中物理電表的改裝，不能承受較大的電壓。為了滿足實驗的需要，必須在電表上串聯(lián)一個分壓電阻R0（改造過程如圖1所示）。
改造后的新儀表（電壓表）的參數(shù)如下：
問：常用的電壓表一般都有多個量程（至少兩個），那么應如何設計和改造？
分析：設計圖如圖2所示。
1.2 核心競爭力分析
（1）模型描記：改進型電壓表的物理“原型”其實就是最基本的串聯(lián)電路，如圖3所示。電路中電流處處相等，電路兩端的總電壓等于各串聯(lián)電阻兩端電壓之和，電路總電阻等于各串聯(lián)電阻阻值之和。
（2）推理創(chuàng)新：串聯(lián)電路中，總電壓被分配到每一個串聯(lián)電阻上，阻值大的電阻接受到的電壓大，阻值小的電阻接受到的電壓小。基于這樣的推理，思維的火花油然而生，腦海中立刻浮現(xiàn)出“共享”的思路——如果能在表頭上串聯(lián)一個“電壓共享器”，量程不足的問題就解決了。于是，一個全新的設計浮現(xiàn)在我的腦海中，就是圖1所示的改進設計（多量程的情況也是一樣，這里就不再贅述）。
（3）素養(yǎng)呈現(xiàn)：看似簡單的建模推理過程蘊含著科學推理，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，內(nèi)化學科特色，充分展現(xiàn)物理核心素養(yǎng)。沒有扎實的知識基礎和良好的思維習慣，什么事也做不成。
2 電流表改造
2.1 修改特點
由于該表的滿偏置電流Ig太小，直接用它來測量可能會燒壞表，為了滿足實驗的需要，必須在表頭上并聯(lián)一個分流電阻R0（改造過程如圖4所示）。
顯然，R0越小，膨脹倍數(shù)越大。
問題：如何設計具有多個量程（至少兩個）的電流表？
分析：設計圖如圖5所示。
2.2核心競爭力分析
（1）模型描記：改造電流表的實物“原型”來自于最基本的并聯(lián)電路，如圖6所示。電路中各支路兩端電壓相等，電路總電流等于各支路電流之和，電路總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻倒數(shù)之和。
（2）推理創(chuàng)新：并聯(lián)電路中，總電流被分配到各個并聯(lián)支路中，電阻大的支路得到小電流，電阻小的支路得到大電流。基于這樣的推理，“均流”的思路又浮現(xiàn)在腦海中。于是，產(chǎn)生了圖4所示的修改設計。
然而在“多量程”改造方面，電流表的設計要比電壓表復雜得多——單純地增加支路來實現(xiàn)電流的“分流”已經(jīng)行不通了。因為這樣雖然擴大了量程，但卻無法實現(xiàn)多量程的共存。因此，我們只好換個角度，在“改變分流電阻的阻值”上做文章，這樣既能實現(xiàn)量程的擴大，又能實現(xiàn)多量程的共存，如圖5所示。
（3）素養(yǎng)呈現(xiàn)：同樣，建模與推理的過程培養(yǎng)創(chuàng)新思維，包括科學推理。特別是在多尺度設計中，我們經(jīng)歷了模型構(gòu)建、科學推理、問題發(fā)現(xiàn)、質(zhì)疑與論證，最后得出新的解決方案。每一個環(huán)節(jié)都與科學思維有關(guān)，有助于內(nèi)化學科素養(yǎng)，不斷激發(fā)好奇心和求知欲。是對基礎知識、基本技能、思維品質(zhì)和科學態(tài)度的一次重大回顧與提升。
3 反思性教學
不難看出，面對新情況、新任務，當需要運用所學的物理理論、實驗方法、實驗儀器進行創(chuàng)新設計、解決實際問題時，科學思維能力就顯得尤為重要。
因此，必須摒棄“講代做、演示為主、過度模擬、機械重復”的傳統(tǒng)實驗教學模式，從新思路出發(fā)，著力培養(yǎng)和提高學生的科學思維能力。
（1）注重理解基本概念、基本規(guī)律，積累更多的實物“原型”。“水為什么這么清？因為它來自一個清澈的水源”就是這個道理。沒有“老枝”，就沒有“新芽”。
（2）深刻理解實驗原理留學之路，敢于質(zhì)疑，勤于論證，勇于創(chuàng)新。有了“老枝”，還要施以“陽光、雨水、肥料”，才能讓“新芽”茁壯成長。這就是質(zhì)疑、論證、創(chuàng)新的重要性。
（3）高質(zhì)量地完成基礎實驗，多做動手操作，少做模擬演示。如果只用講授代替實踐、演示、模擬，學生自然會期望高而技能低（聽的時候聽懂了，做的時候卻出錯）。只有自己動手，親身體驗，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，才能真正掌握必要的知識和技能。
（4）學以致用，面對真實情況，解決實際問題。這是學習的最高境界。有條件的話，多開展課外實踐活動高中物理電表的改裝，解決實際問題（如檢測電路故障、探究聲控電路、設計晴天雨天自動晾衣架等），把所學知識轉(zhuǎn)化為技能，內(nèi)化學科特色，提高學科素養(yǎng)。
綜上所述，科學思維是運用物理知識解決實際問題的重要保證，在實驗教學中培養(yǎng)學生的科學思維能力尤為重要。為此，我們要重視基礎實驗，準確理解和體會其中所展現(xiàn)的科學思維能力，進一步提高課堂效率；同時要不斷提高自身的學科素養(yǎng)，深化對學科本質(zhì)的理解。只有這樣，才能更好地完成實驗教學任務，提高學生的科學思維能力，促進學生的終身發(fā)展。
(專欄編輯鄧蕾)